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超导原理

2021/02/16   维加斯新闻报
晏成和

    电阻 前两篇文章，讨论了电容、电感，再加上电阻，就是电路设计中的三元老。电阻特性相对简单，与交、直流电无关，只是在电路中产生阻力。
    金属导体的导电能力好，电阻小，是因为价电子少，价电子层较空，存在着通畅的电压波传导通路、及电流流经的通路，这也是金属导体导电的物理机理。绝缘体难以导电，是因为价电子多、通道阻塞。
    物质内导电通路是动态的，因为有价电子的存在、还有其运转伴生的磁场对电压波、对电流的运行形成阻碍-电阻。自从人类发明了用电，导体内的电阻就损耗了大量的电能，人们不喜欢这个电阻，然而只要价电子运转着、电阻就天然存在着，想要电阻为零几乎是不可能。学界一直在努力找寻降低电阻的新技术、新材料。皇天不负有心人，电阻为零的超导终于出现了。
    超导 1911年荷兰著名物理学家卡梅林·昂内斯首次将氦液化，获得了4.6K（-268.4℃）的低温。当昂内斯将金属汞置于低温液氦中，发现汞的电阻急剧下降，直至消失，电阻为零！这样的现象叫做超导，这在当时简直是不可思议。其原理是什么？是物理学面临的新课题。
    面对电阻为零的超导，物理学应该有个说道，于是，各种猜想学说应运而生：有说是在低温条件下原子被冻僵了；有说产生了电子隧道；还有提出了唯象理论（建立在假定之上的理论），假定在极低温条件下两个电子凝聚、结成了库伯对（BCS）……但是这电子如何凝聚、隧道怎样产生、原子如何冻僵？难有交代。
    超导原理 超导与温度密切相关，于是，首先应该在温度、在热学上找答案。在之前的博文《热的本质是什么——热学（一）》中，谈到物质核外电子的运转速率随着温度变化，温度高——核外电子速率高；温度低——核外电子速率降低，那么超导时候核外电子速率很低？
    文章开头讨论到，电阻是价电子运转及其伴生磁场所导致。超导电阻为零，说明价电子的阻碍消失，是不是温度低-价电子的速率降低、甚至是运转停止？然而超导电流强大，说明价电子没有停止，那么，价电子是强大电流的参与者。于是超导的机理显现端倪。
    超导原理是：在很低的温度下，物体的核外电子速率降低，达到临界温度，价电子运转速率越来越低。核心习惯于高温下的核外电子快速运转，价和电子的运转缓慢，造成了原子暂时缺失价电子的现象。核心就挪用相邻核心的价电子，相邻核心又挪用，所有的核心都向某一方向近邻挪用，于是形成外层电子公用。这种核外层电子公用的状态就是物质的超导态，核外层电子处于公用的状态的物体就是超导体。
    核心把公用的电子流当成自己所需求的核外电子，用核心的库仑力（原子核吸引核外电子并且使电子绕核运转的力）去输运它，让其在自己身边流过。这样，公用的电子虽然没有绕核运转，但每一瞬时从核心身边流经的电子较多，部分地满足核心对电子的需求。
    温度降低，电子运转缓慢，超导体内形成了较大的电子空位，电压波畅通。价电子在电压波作用下顺势移动，形成了核外电子公用的电子流——超导电流。核心把外来（公用）的电子流当成自己所需求的电子一部分，用核心的库仑力去顺势输运它，让其在自己身边流过，于是超导电流不仅不受到阻力，而且还获得了一份来自核心的输运力。在原子库仑力的接力输送下，电子畅通无阻，形成了电阻为零的超导现象。
    正是因为超导电流获得了核心的输运力，所以它能像常态的核外电子那样永恒不断地运动，流速均衡、电阻为零，保持永恒的电流。超导发生是大量的电子群集流动。大量电子的定向运动，伴生很强的电磁波，伴生着极强的磁场。
    超导的抗磁性 实验表明，第一类超导体（金属物体）在超导时，外磁场从超导体内完全排出，表现出很强的抗磁性，又称迈斯纳效应。若外磁场太强，干扰电子不能形成整齐的公用定向运动，即使到了临界低温，超导也不能发生。
    超导时大量电子在核心边均衡、畅通地流动，形成了核外电子的组成部分，外磁场会干扰超导电流的定向运动，所以超导电流伴生的磁场必须把外界的干扰磁场抵制在外，于是就形成了很强的抗磁性。
    同样，内磁场强的物体也难以发生超导，铁磁性或反铁磁性金属因其内部结构元的排列使得价磁力叠加，内磁场较强，能够阻止电子被挪用而发生宏观流动，因而不具有超导性能。而且磁性物质的微粒——杂质也会阻断核外电子共用，影响超导发生。
    第二类超导体大自然往往是戏剧性地展示其风采，后来发现的超导材料并不是传统上认为是良导体的金属及其合金，而是在常态下导电性能很差、甚至是绝缘材料的氧化物体系的陶瓷，这就是所谓第二类超导体。
    此类超导是多元素化合物，是由许多元素的结构元结合而成，电子空位只占其一隅（整体上是一条细缝），第二类超导体的超导电流伴生的磁力线不是很密，外磁场还是能从其他元素间穿过，所以迈斯纳效应不是十分明显，但是允许通过的外磁性不能太强，否则也会阻断超导。这类超导体的临界温度较高，超导电流也较大。
    元素的价电子数为5、7时，不能够均匀分布在原子表面，形成价电子的再分层（如5可分成4，1）。因而价和运转的环绕角不均匀、间隙不等，低温条件下核心对最外层电子管束不力，首先在间隙大的远端形成电子公用、形成超导。所以价电子数为5、7的元素在常温下通常是绝缘体，在低温下却较易形成超导。
    当原子质量较大，核外电子数多，层数也多，核心对外层电子管束不力，超导电子空位容易产生，所以较易形成超导，而且临界温度较高。
    一些绝缘体在低温条件下价和电子降低速率，发生了外电子公用，形成了性能良好的超导体，绝缘体形成超导，为电子空位导电再次提供了例证。
    超导现象的特征，一是在低温条件下价和电子降低速率，形成外电子公用；二是超导时公用电子的流动不仅不受到阻力，而且还获得了一份来自核心的输运力。背离了这两大特征，超导就无从谈起。
    物质的超导特性与温度密切相关，而且极有规律性。再一次为核外电子的运转线路、速率决定物质的各种特性；电子运动的线路、速率的变化决定物质各种特性的论点提供了有力的例证。
    超导现象总是在温度极低的条件下才发生，于是科学开始了向低温世界的大进军。人们把超导开始发生时的温度称做临界温度。人为地制作低温是很麻烦的，显然，临界温度越高超导材料的应用就越方便，越有应用价值。于是世界各国的科研大军又致力于研制高临界温度的超导材料，超导材料开始进入实用阶段。
    提高临界温度的方法 世界各国都在致力于研制高临界温度的超导材料，临界温度每提高一度，全世界都为之振奋。然而近十年来，全世界对临界温度的研制没有大的进展，还能不能进一步提高临界温度？是一个世界难题。
    依据对超导发生的原理的研讨，有可能把超导的临界温度较大幅度的提高。超导现像是在极低温条件下，核外电子速率降低，所发生的外电子挪用-公用。这外电子挪用是形成超导的首要。
    我在静电与电压文章中谈到：当物体带有正电荷（缺少电子），各原子争抢电子，并且产生静电电压。这里，物体内电子总量缺少，争抢就是挪用。那么，我们人为让超导体事先带有正电荷，使挪用电荷的现像在常温下就已经发生。随着温度降低，挪用导致公用现像也会提前到来，不用等到原来的临界温度，挪用-公用核外电子——超导就提前、在较高温度条件下就发生了。
    这样，让超导体事先带有正电荷，就可以把超导的临界温度大幅度的提高。
    超导发生之后争抢归于平顺，事先所发生的静电电压也会下降。十年来，我把可能提高临界温度方法的信息发布，企盼国内实验室率先运用取得成效，可惜，人微言轻没有伯乐。
    让超导体事先带有正电荷提高临界温度的方法是科学预言，一旦实验证实用此方法提高了临界温度，也将证实我们超导理论的正确、证实核外电子规律运转理论的正确。